La modélisation de processus complexes peut impliquer un grand nombre de variables ayant entre elles une structure de corrélation compliquée. Par exemple, les phénomènes spatiaux possèdent souvent une forte régularité spatiale, se traduisant par une corrélation entre variables d’autant plus forte que les régions correspondantes sont proches. Le formalisme des graphes pondérés permet de capturer de manière compacte ces relations entre variables, autorisant la formalisation mathématique de nombreux problèmes d’analyse de données spatiales. La première partie du manuscrit se concentre sur la résolution efficace de problèmes de régularisation spatiale, mettant en jeu des pénalités telle que la variation totale ou la longueur totale des contours. Nous présentons une stratégie de préconditionnement pour l’algorithme generalized forward-backward, spécifiquement adaptée à la résolution de problèmes structurés par des graphes pondérés présentant une grande variabilité de configurations et de poids. Nous présentons ensuite un nouvel algorithme appelé cut pursuit, qui exploite les relations entre les algorithmes de flots et la variation totale au travers d’une stratégie de working set. Ces algorithmes présentent des performances supérieures à l’état de l’art pour des tâches d’agrégations de données geostatistiques. La seconde partie de ce document se concentre sur le développement d’un nouveau modèle qui étend les chaînes de Markov à temps continu au cas des graphes pondérés non orientés généraux. Ce modèle autorise la prise en compte plus fine des interactions entre noeuds voisins pour la prédiction structurée, comme illustré pour la classification supervisée de tissus urbains. / Modeling complex processes often involve a high number of variables with anintricate correlation structure. For example, many spatially-localized processes display spatial regularity, as variables corresponding to neighboring regions are more correlated than distant ones. The formalism of weighted graphs allows us to capture relationships between interacting variables in a compact manner, permitting the mathematical formulation of many spatial analysis tasks. The first part of this manuscript focuses on optimization problems with graph-structure dregularizers, such as the total variation or the total boundary size. We first present the convex formulation and its resolution with proximal splitting algorithms. We introduce a new preconditioning scheme for the existing generalized forward-backward proximal splitting algorithm, specifically designed for graphs with high variability in neighbourhood configurations and edge weights. We then introduce a new algorithm, cut pursuit, which used the links between graph cuts and total variation in a working set scheme. We also present a variation of this algorithm which solved the problem regularized by the non convex total boundary length penalty. We show that our proposed approaches reach or outperform state-of-the-art for geostatistical aggregation as well as image recovery problems. The second part focuses on the development of a new model, expanding continuous-time Markov chain models to general undirected weighted graphs. This allows us to take into account the interactions between neighbouring nodes in structured classification, as demonstrated for a supervised land-use classification task from cadastral data.